面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法及系统与流程

1.本发明属于能源优化领域，尤其涉及面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.能源是人类社会生存和发展的基础，现如今，能源短缺与环境问题迫在眉睫，提升能源利用效率、节约能源、减少污染物排放已经成为各国的共识。
4.由于乡村居民建筑建造规格不一，外围护结构气密性较差，维持乡村建筑室内环境舒适所需的能源消耗较高，因此乡村地区居民建筑具有较大的节能减排潜力。净零能耗建筑是应对建筑运行能耗过高、污染气体排放量大的关键解决方案之一，同样也是未来建筑行业发展的趋势。
5.然而乡村地区受经济条件的限制，采用被动式节能会对居民产生额外的建筑建造成本，对建筑系统整体的经济性产生较大的影响。同时，目前乡村地区供能仍以燃煤为主，一直以来存在着能源管理粗放、经济性较差、污染气体排放水平高的问题，仅从用能侧降低建筑能耗不能完全解决乡村地区能源系统的现状。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法及系统，其在原始负荷数据的基础上，以净零能耗作为建筑供能系统的约束，采用多目标优化算法配置综合能源系统关键设备容量。调度优化阶段以系统容量配置结果作为约束，考虑分时电价的情况，优化系统中内燃发电机组的出力，实现系统的经济性及环保性最优。在满足乡村建筑负荷需求的基础上，推广净零能耗建筑，推进乡村能源转型、发展新的供能方式对于减轻农民经济压力、促进全社会能源减排具有重要意义。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面提供面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法，包括如下步骤：
9.以冷热电联供作为综合能源系统的基础，结合乡村地区的用能特征及乡村地区典型的资源，以蓄电池作为储能装置，构建一套具有乡村供能特色的综合能源系统；
10.以经济性以及环保性指标作为系统的目标函数，以综合能源系统的能量平衡为约束关系，对综合能源系统关键设备的容量进行配置；
11.将综合能源系统关键设备容量配置结果作为约束，将乡村建筑典型日冷热电负荷数据作为基础，以内燃发电机组的逐时出力作为优化变量，进行多级优化得到综合能源系统运行控制策略。
12.本发明的第二个方面提供面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化系统，包括：
13.综合能源系统构建模块，用于以冷热电联供作为综合能源系统的基础，结合乡村地区的用能特征及乡村地区典型的资源，以蓄电池作为储能装置，构建一套具有乡村供能特色的综合能源系统；
14.关键设备容量配置模块，用于以经济性以及环保性指标作为系统的目标函数，以综合能源系统的能量平衡为约束关系，对综合能源系统关键设备的容量进行配置；
15.运行调度优化模块，用于将综合能源系统关键设备容量配置结果作为约束，将乡村建筑典型日冷热电负荷数据作为基础，以内燃发电机组的逐时出力作为优化变量，进行多级优化得到综合能源系统运行控制策略。
16.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法中的步骤。
18.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
19.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法中的步骤。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.本发明以冷热电联供作为综合能源系统的基础，结合乡村地区特有的生物质沼气资源以及丰富的光伏发电资源，以蓄电池作为储能装置，构建出一套具有乡村供能特色的综合能源系统；综合考虑系统供能的逻辑框架以及设备运行模型，在净零能耗运行约束下，建立了综合能源系统关键设备容量配置优化模型；在满足乡村居民夏季与冬季典型日冷热电负荷需求的基础上，以内燃发电机组的逐时负载率作为优化变量，建立了一套综合能源系统优化运行控制策略，实现系统的经济性及环保性最优。在满足乡村建筑负荷需求的基础上，推广净零能耗建筑，推进乡村能源转型、发展新的供能方式对于减轻农民经济压力、促进全社会能源减排具有重要意义。
22.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1是本发明实施例面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法流程图；
25.图2为本发明实施例乡村综合能源供能系统；
26.图3为本发明实施例乡村综合能源系统运行调度优化阶段流程图。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.本实施例的目的是设计一个供能系统，因此所有设备的容量，包括可再生能源发电设备、蓄电池、冷热电联供微网以及空气源热泵的容量都被确定，且内燃发电机组的出力被确定，以使总成本及二氧化碳排放量最小。
31.本发明在乡村建筑原始负荷数据的基础上，以净零能耗作为建筑供能系统的约束，采用多目标优化算法配置综合能源系统关键设备容量。调度优化阶段以系统容量配置结果作为约束，考虑分时电价的情况，优化系统中内燃发电机组的出力，实现系统的经济性及环保性最优。在满足乡村建筑负荷需求的基础上，推广净零能耗建筑，推进乡村能源转型、发展新的供能方式对于减轻农民经济压力、促进全社会能源减排具有重要意义。
32.实施例一
33.如图1所示，本实施例提供面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法，包括如下步骤：
34.步骤1：考虑乡村地区的用能特征及乡村地区典型的资源，以冷热电联供作为综合能源系统的基础，将冷热电联供微网与可再生能源发电系统结合，同时结合空气源热泵以及蓄电池等设备，构建一套具有乡村供能特色的综合能源系统；
35.作为一种或多种实施例，步骤1中，分析乡村地区特有的地域特征，例如风、光等可再生能源以及生物质原料等乡村地区特有的资源。
36.如图2所示为构建的乡村综合能源系统图，首先根据上层容量配置层所得到的电制冷比计算出由空气源热泵所提供的冷热量及所需的用电量，该部分用电量与乡村居民电负荷一起作为总的电负荷数据。根据冬季/夏季典型日相关天气数据计算得到光伏及风力发电的发电量；根据流程图所示，首先判断可再生能源发电是否能满足总电负荷需要，如果能满足则将多余电量向蓄电池充电，同时冷热负荷由燃气锅炉及吸收式制冷机提供；如果可再生能源不能满足总电负荷需求，则判断电负荷不足部分是否超过内燃发电机组的容量，如果未超过则由内燃发电机组发电；如果超过内燃发电机组的容量，则由内燃发电机组满负荷工作的同时，由蓄电池及电网补足，燃气锅炉用以补足冷热负荷补足部分。
37.根据分析结果，设计一种符合乡村用户需要的综合能源供能系统，考虑建筑冷热电负荷数据，满足用户负荷需求。
38.步骤2：以经济性以及环保性指标作为系统的目标函数，以综合能源系统的能量平衡为约束关系，对综合能源系统关键设备的容量进行配置，在满足乡村用户负荷需求的同时，提升乡村地区供能系统的整体经济性及环保性。
39.作为一种或多种实施例，步骤2中，具体包括如下步骤：
40.步骤2.1：确定综合能源系统容量配置阶段的优化变量；
41.基于综合能源系统能量平衡关系建立容量配置多目标优化模型，以光伏发电机组的容量c
pv
、风力发电机组的容量c
wt
蓄电池的容量c
battery
、内燃发电机组的容量c
ice
、空气源热泵的容量c
ashp
、生物质气设备的容量c
gas
以及电制冷比re为优化变量。
42.步骤2.2：分析综合能源系统特性及设备模型，得到不同设备之间的耦合关系，具体包括：
43.光伏发电机组的输出功率随光照强度及环境温度的变化，光伏发电机组的数学模型如式(1)所示。
44.p
pv
＝p
stc
i[1 k(t
pv-tr)]/i
stc (1)
[0045]
其中，i为光照强度；p
stc
为标准测试条件下最大测试功率(光照强度i
stc
为1000w/m2,tr为25℃)；k为功率温度系数，取值为-0.45％/k；
[0046]
t
pv
为光伏发电组件温度，可通过测试环境温度估算。
[0047]
t
pv
＝t0 0.03i (2)
[0048]
其中，t0为室外环境温度。
[0049]
风力发电机组的输出功率主要随室外风速变化，风力发电机组的数学模型如式(3)所示。
[0050][0051]
其中，pr为额定功率；v、vr、v
in
、v
out
分别为实际风速、额定风速、切入风速以及切出风速。
[0052]
内燃发电机组特性分析主要包括机组的热效率、电效率以及余热回收量。
[0053][0054]
其中，g
ice
为内燃发电机消耗的燃气量；η
p
、ηm分别为内燃发电机的电效率和热效率，受到负载率的影响；q
jw
为缸套水余热；q
exh
为烟气余热；q
loss
为热损失；q
re
为可回收热量；η
jw
和η
exh
分别为缸套水换热器的效率和烟气换热器的效率。
[0055]
内燃发电机组在不同的负载率下有不同的效率和余热量，内燃发电机组的各项参数与设备的负载率的关系如下式(5)、(6)所示。
[0056]
ηm＝0.005262 1.031
×
r-1.064
×
r2 0.3198
×
r3ꢀꢀ
(5)
[0057]
η
p
＝0.7741
×
exp(0.1846
×
r)-0.7741
×
exp(-36.67
×
r)
ꢀꢀ
(6)
[0058]
其中，r为内燃发电机组的负载率；ηm为内燃发电机组的热效率；η
p
为内燃发电机组的电效率。
[0059]
内燃发电机组的缸套水热量、烟气余热以及其他热损失所占机组总余热的比例系数满足下式(7)所示。
[0060]fj
fe fn＝1
ꢀꢀ
(7)
[0061]
其中，fj,fe,fn分别为缸套水余热、烟气余热及其他热损失所占的余热比例。缸套
水余热与烟气余热所占比例与内燃发电机组的负载率有关，如下式所示。
[0062]fj
＝0.5606-0.4282
×
r 0.8131
×r2-0.5161
×
r3ꢀꢀ
(8)
[0063][0064]
蓄电池充放电过程中，储能在t时间段的荷电状态与t-1时段的荷电状态以及[t-1,t]时段储能的充放电量有关(不考虑蓄电池的电量衰减量)，蓄电池的荷电状态如式(10)所示。
[0065][0066]
其中，s(t)和s(t-1)分别为t时刻和t-1时刻蓄电池的荷电状态；ηc为蓄电池的充电效率，pc为蓄电池输入的电能；ηd为蓄电池的放电效率，pd为蓄电池输出的电能；c
ba
为蓄电池的容量。
[0067]
空气源热泵利用高位能(电能)将热量从低位热源(空气)流向高位热源，空气源热泵的特性可表述为输入电量与制冷(热)量之间的比例关系，如下式所示。
[0068][0069]
其中，为空气源热泵的输出冷/热量；为空气源热泵的输入电能； cop
hp
为空气源热泵的能效比。
[0070]
乡村地区具有丰富的固体生物质废料，原料成本价格低廉，适合发展中小规模的生物质气技术。
[0071]
生物质气设备的年均购置成本如式(12)所示。
[0072][0073]
其中，m
biomass
为生物质气设备每小时输出的可燃气体的流量；为设备的运维系数；crf为设备的投资回收系数，如下式(13)所示。
[0074][0075]
其中，i为利率；n为设备的使用年限。
[0076]
步骤2.3：确定综合能源系统的能量平衡及约束关系。
[0077]
综合能源系统通过多元设备耦合实现供能端与居民侧的负荷平衡，能量平衡关系如下式(14)-(16)所示。
[0078][0079][0080][0081]
其中，p
wt
为风力发电机组的发电量，p
pv
为光伏发电机组的发电量，p
ice
为内燃发电机组的发电量，p
grid
为综合能源系统从电网的购/售电量，正值表示购电，负值表示售电；为空气源热泵的耗电量；p
battery
为蓄电池的充/放电量； p
load
为乡村居民的电负荷；
为空气源热泵输出的制冷/热量，q
ac
为吸收式制冷机输出的制冷量，q
cool
和q
heat
为乡村建筑的冷热电负荷；q
boiler
为燃气锅炉输出的热量，q
re
为内燃发电机组的余热量。
[0082]
步骤2.4：确定综合能源系统容量配置阶段的目标函数。
[0083]
对综合能源系统容量配置及运行优化结果进行合理的评价对于保证系统的有效运行具有重要意义，针对乡村建筑综合能源系统容量配置阶段的优化结果，本发明对比分供系统。
[0084]
选择年总成本节约率以及co2减排率作为优化目标，如式(17)-(18)所示。
[0085][0086]
其中，cy为分供系统的年总成本，为综合能源系统的年总成本，年总成本包括设备的年均购置成本、运维成本以及运行能耗成本；为年总成本节约率。
[0087][0088]
其中，为分供系统的年co2排放总量，为综合能源系统的年 co2排放总量；为年co2减排率。
[0089]
其中，本实施例在对综合能源系统关键设备的容量进行配置时采用nsga
‑ꢀⅱ
算法。
[0090]
算法优化的流程如下所示：
[0091]
①
对变量进行初始化，产生初始种群；
[0092]
②
计算得到初始种群的适应度，并进行非支配排序；
[0093]
③
对种群进行选择、较差、变异产生子代种群；
[0094]
④
将父代种群与子代种群合并，并对新的种群进行非支配排序；
[0095]
⑤
根据非支配排序结果及拥挤度选择新的父代种群，重新进入步骤
③
；
[0096]
⑥
如果优化结果满足调节或到达最大优化代数，则优化过程结束。
[0097]
步骤3：运行调度优化阶段，其包括：在步骤2得到的综合能源系统关键设备容量配置结果的基础上，以乡村建筑典型日冷热电负荷数据作为基础，通过优化内燃发电机组的逐时出力，进行多级优化得到综合能源系统运行控制策略，在容量配置阶段的基础上进一步提高系统的经济性及环保性。
[0098]
所述步骤3具体包括：
[0099]
步骤3.1：在容量配置阶段结果的基础上，在运行调度优化阶段，本发明以内燃发电机组的逐时出力作为优化变量，进一步优化系统的性能。
[0100]
步骤3.2：运行调度阶段的约束为容量配置阶段的设备的容量。
[0101]
步骤3.3：本发明对比分供系统，以典型日综合能源系统运行的日运行成本节约率和co2减排率作为目标函数。如式(19)-(20)所示。
[0102]
[0103]
其中，cd为分供系统的运行能耗成本，为综合能源系统在典型日下的运行能耗成本；为日运行成本节约率。
[0104][0105]
其中，co2ed为分供系统的co2排放总量，为综合能源系统在典型日下的co2排放总量；为日co2减排率。
[0106]
如图3所示，作为一种或多种实施例，步骤3中，所述将综合能源系统关键设备容量配置结果作为约束，将乡村建筑典型日冷热电负荷数据作为基础，以内燃发电机组的逐时出力作为优化变量，进行多级优化得到综合能源系统运行控制策略，具体包括：
[0107]
结合关键设备容量配置结果和乡村建筑典型日冷热电负荷数据计算可再生能源的发电；
[0108]
判断可再生能源发电是否满足电负荷需求，若满足，将多余电量向蓄电池充电，将充电后的剩余电量向电网售电，否则和内燃发电机组的容量进行比较，超过则采用内燃发电机组满负荷发电，否则进行内燃发电或机组发电，最终判断余热量是否满足冷热负荷需求，满足则完成优化，否则由燃气锅炉补充冷热负荷差额部分。
[0109]
其中，若采用内燃发电机组满负荷发电后，判断电负荷差额是否超过电池剩余电量，超过则电池完全放电并判断是否存在电负荷差额，若存在，向电网购电，否则电池部分放电。
[0110]
实施例二
[0111]
本实施例提供面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化系统，包括：综合能源系统构建模块，用于以冷热电联供作为综合能源系统的基础，结合乡村地区的用能特征及乡村地区典型的资源，以蓄电池作为储能装置，构建一套具有乡村供能特色的综合能源系统；
[0112]
关键设备容量配置模块，用于以经济性以及环保性指标作为系统的目标函数，以综合能源系统的能量平衡为约束关系，对综合能源系统关键设备的容量进行配置；
[0113]
运行调度优化模块，用于将综合能源系统关键设备容量配置结果作为约束，将乡村建筑典型日冷热电负荷数据作为基础，以内燃发电机组的逐时出力作为优化变量，进行多级优化得到综合能源系统运行控制策略。
[0114]
实施例三
[0115]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法中的步骤。
[0116]
实施例四
[0117]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的面向乡村建筑的综合能源系统的运行优化方法中的步骤。
[0118]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形
式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0119]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0120]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0121]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0122]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory， rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0123]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。